美國國防高級研究計劃局啟動“地球同步軌道衛星自主服務”項目

王雪瑤 宋博（北京空間科技信息研究所）

美國國防高級研究計劃局啟動“地球同步軌道衛星自主服務”項目

DARPA Started the RSGS Program

王雪瑤 宋博（北京空間科技信息研究所）

1 項目背景

目前，美國已有價值超過10億美元的單個在軌系統。特別是在地球靜止軌道（GEO）上，美國的在軌資產遠超其他國家。有許多商用衛星和軍用衛星正用于通信、氣象預報和國家安全服務等。如果這些衛星一旦出現故障，現有技術不能對這些衛星進行故障部件的檢測和診斷，更不能進行升級和維修。每年約有15顆商業通信衛星或者1～2顆政府衛星會達到設計壽命，因此，雖然這些衛星的某些系統功能依然很好，但這些衛星在未經檢驗和未修理升級的情況下被移至墳墓軌道。還有許多衛星因為無法進行能力升級，不能滿足市場不斷變化的需求，而在使用壽命中就已被淘汰。另外，由于目前衛星沒有在軌服務能力，所以GEO衛星都有冗余備份設計，且衛星大部分質量和空間都被燃料占用。美國國防高級研究計劃局（DARPA）希望未來能夠在GEO上完成大型天線、結構與機構的組裝，為應對技術提升和安全威脅，開展對GEO資產進行不斷升級及整合在軌資源等一系列技術活動。

早在21世紀初，DARPA就開始研究太空服務概念，希望能夠尋找到提供給在軌衛星的增值服務和為現有GEO衛星群增值的硬件、軟件及操作方法，相繼開展了“軌道萬能維修航天器”（SUMO）機械臂地面試驗、“近期能驗證的前端機器人”（FREND）機械臂地面試驗和“鳳凰”（Phoenix）計劃等。2016年5月，DARPA的戰術技術辦公室（TTO）啟動“地球同步軌道衛星自主服務”（RSGS）項目，招標合作商業公司，旨在建立地球同步軌道（GSO）上的靈巧自主操作能力，既能提高美國現有空間基礎設施的彈性，又能開啟空間基礎設施能力的革命性變化。

此次，DARPA希望通過公私合作的方式，實現為所有運營商GEO衛星的在軌服務能力，并從中獲取多重效益。DARPA積極開拓長期GEO服務的商業市場，不僅會帶來經濟利益，也有利于在軌服務產業的長期轉型，同時增強空間彈性。對于RSGS項目，商業合作公司主要研制并運行能夠進行空間服務操作的自主服務航天器（RSV）平臺，DARPA將主要研制RSV的機器人有效載荷，美國海軍實驗室（NRL）則協助平臺與有效載荷的集成以及主要的技術接口。

2 RSGS項目計劃任務、研制順序及管理模式

項目計劃任務與預期服務能力

（1）項目計劃任務

RSGS項目的長期目標是以該項目的RSV為開端，建立GSO上的持久自主服務能力，實現持久、可靠、高性價比的GEO衛星服務。

RSGS項目的架構元素包括RSV系統、客戶衛星和地面站。RSV系統同時為GEO“客戶”——商業衛星和美國政府衛星提供合作式在軌服務操作。RSV系統將使用政府運載火箭運送入軌，可能會運送至地球同步轉移軌道（GTO，最終轉移至GEO），也可能直接運送至近GEO進行激活和檢查。隨后，RSV需要完成政府的演示任務，同時也會驗證RSV過渡到商用的準備情況。目前，政府驗證任務還未完全確定，DARPA將安排1顆或2顆驗證客戶衛星供RSV系統交會、對接并進行服務任務。RSV系統的政府指定服務演示任務主要包括：

1）與未進行在軌服務設計的客戶衛星（沒有交會基準點和合作抓捕目標）自主交會，并抓捕客戶衛星的連接接頭（Marman環、螺栓配件等）；

2）轉移客戶衛星，演示轉移機動推力水平下的穩定控制；

3）在不同范圍內檢查客戶衛星，包括在不到1m的拍攝范圍內進行精密檢查；

4）在客戶衛星結構上施加11.35kg的作用力；

5）演示并操作空間機械臂。

RSV系統在完成政府的演示任務后，預計在6～9個月的時間內將執行商業服務任務和有償的政府服務任務。RSV系統在任務壽命末期將會轉移至符合國家標準（美國政府軌道碎片減緩標準）的墳墓軌道，最終很可能提高至近地點高于36100km的軌道。

（2）項目預期服務能力

DARPA計劃通過RSGS項目預期實現的服務任務（DARPA任務組）包括：

1）檢查。合作式診斷、檢查功能異常的GEO航天器。

2）維修。太陽電池陣、天線展開故障等機械異常修正。

3）轉移。協助軌道變化機動，包括轉移客戶航天器至新的工作位置或任務后處理軌道、輔助性能差的推進系統、短期延長航天器壽命等。

4）升級。為運行的合作航天器安裝升級包，提供新功能。

其中，每項DARPA任務組都具有較高的經濟價值，對美國國家安全都很重要。DARPA任務組可以通過修正客戶航天器的異常部署、提供新的有效載荷在軌裝配方法、精密檢查客戶航天器的故障原因等方式，穩定任務成本并提高空間結構的彈性。除此之外，RSGS項目還能使航天服務產業更穩健、更具變革性。

DARPA任務組：檢查、維修、轉移、升級

項目研制順序

RSGS項目的開發分為以下5個順序階段：

1）航天器及有效載荷開發。商業公司負責研發能夠攜帶有效載荷并執行服務任務的RSV，美國政府負責研發機器人有效載荷，同時還將開發任務模擬能力和機器人硬件回路多自由度任務仿真能力。

2）集成。在政府支持下，商業公司將有效載荷集成至RSV中。

3）發射。政府計劃在2020年末至2021年初，將集成后的RSV直接發送至GEO或附近。

4）功能演示。在政府支持下，商業公司將進行一系列政府指定的活動，通過各項RSV在軌操作，演示有效載荷功能，并執行安全任務。

5）商業運營。商業公司運營RSV，為政府及商業GEO衛星提供在軌服務。

項目管理形式

RSGS項目采用公私合作模式，最終實現商業公司研制RSV平臺，并搭載美國政府供給的機器人有效載荷，由政府負責航天器的發射。DARPA作為美國政府一方，將負責RSGS項目的全面管理，包括技術問題、采購與安全。DARPA還將負責機器人有效載荷及其自動化任務管理軟件的開發、制造、集成和測試，協助RSV平臺與有效載荷的集成，合作任務操作中心的關鍵軟件與機器人工作站的開發，發射RSV入軌，并在演示任務期間進行操作團隊培訓和任務支持等。另一方面，商業合作公司將在NRL的幫助下總領RSV系統工程，進行RSV平臺的開發以及RSV平臺與有效載荷的集成，并擁有集成系統的所有權與運營權，主要負責實現RSGS項目的功能演示目標，在演示任務完成后持續運營集成系統。

在RSGS項目演示任務結束之后，商業合作公司與政府達成相關協議，獲取政府機器人有效載荷的所有權。該協議內容包括：為未來服務政府客戶的任務報價；同意為政府客戶提供機器人試驗；為政府提供運行數據和經驗；培訓政府工作人員等。

而在RSGS項目中，RSV的商業所有權和操作權不可或缺。目前，GEO上的美國商業通信衛星數量是政府衛星的5倍。因此，商業衛星使用RSV進行在軌服務的可能性比政府衛星高5倍，商業運行RSV可以減少專門服務GEO政府衛星的閑置時間，并能從商業在軌操作中獲取經驗，有助于之后在軌服務航天器的設計創新與改進。同時，政府可以按需進行有償在軌服務，不用專門成立RSV運營團隊，這種合作模式對政府具有顯著的優勢。DARPA預計，RSV的商業服務收益足以支持其日常運營費用。

3 RSV系統

RSV系統主要包括RSV平臺、RSV有效載荷及地面部分。

RSV系統

RSV平臺及主要性能

RSV系統能夠在GEO的任意位置進行在軌服務。RSV平臺設計將依據但不限于商業在軌服務案例、所需的在軌服務任務總數量、在軌服務任務頻率和RSV系統的總任務壽命。

（1）電力系統（EPS）

RSV平臺為平臺子系統提供發電、分配、故障管理和存儲服務，也為RSV有效載荷提供運行及續航狀態的電能。RSV平臺還需要在某些任務階段利用約300Ah的存儲能量運行平臺和有效載荷。RSV平臺能為有效載荷提供30～34V的電力，該電壓范圍對操作RSV有效載荷的FREND機械臂來說很重要。

（2）指揮、遙測與數據處理（CT&DH）

RSV平臺的CT&DH系統能夠監視平臺健康狀態、控制平臺子系統及有效載荷續航加熱裝置。平臺CT&DH系統為RSV系統提供定時源，并為有效載荷與地面站提供指揮/遙測接口。目前，RSV平臺和有效載荷數據交換的關鍵設計包括：一個用于地面指揮與遙測的完整復式差分時鐘和數據接口，一個以星上控制為目的的用于平臺和有效載荷之間指揮響應的復式差分接口，以及一個用于高速任務數據的單向差分時鐘和數據接口。指揮與遙測/響應回路都不會超過2Mbit/s數據速率，而地面實際指揮數據速率也在10kbit/s范圍內。高速任務數據接口預計最小傳輸速率為10Mbit/s。

（3）通信與跟蹤（C&T）

RSV平臺為RSV系統提供所有的通信子系統。在所有任務的關鍵操作階段，需要RSV與地面站持續保持聯系。該分系統所需能力包括：自主操作時上行和下行鏈路速率分別為10kbit/s和10Mbit/s；上行鏈路與下行鏈路信號加密。

（4）推進系統

RSV平臺推進系統可以使用化學推進和/或電推進。推進系統設計需要考慮RSV系統的整個任務壽命，包括從GTO向GEO的軌道轉移、軌道維持、在軌激活與檢查、政府演示任務、全壽命周期內商業及政府的在軌服務任務，以及任務末期的移除機動。

（5）導航、制導與控制

RSV平臺必須為三軸穩定設計，姿態測量精度達0.05°，絕對軌道距離精度達百米，姿態控制精度達到0.25°。RSV平臺應攜帶相對導航濾波器，在交會與近距離操作階段能夠以1～5Hz的頻率接收RSV有效載荷的姿態估計，并向有效載荷返回一個5Hz的濾波姿態。

為實現RSV系統與客戶衛星的交會與近距離操作，有效載荷能為RSV平臺相對導航濾波器以1Hz頻率提供方位數據。與客戶衛星交會時，其作用范圍為160～1km，在與有效載荷在軌交付（POD）系統交會時，其作用范圍為20～1km。同時，在1km～100m范圍內，有效載荷以5Hz的頻率向平臺相對導航濾波器提供三維位置數據，在小于100m范圍內，有效載荷實施抓捕，以5Hz的頻率向平臺相對導航濾波器提供六維位置數據。

（6）任務管理飛行軟件

RSV平臺和有效載荷共享任務管理器功能，因此接口的開發將成為兩者協同工作的關鍵。平臺的任務管理器將監視平臺和有效載荷的運行狀態，支持各項任務活動。商業合作公司研發的平臺任務管理器提供可配置多功能的故障檢測、隔離與恢復（FDIR）能力，能夠響應平臺和有效載荷的活動需求與故障檢測。同時，平臺任務管理功能為支持在軌服務的任務活動，將為平臺和有效載荷提供運行狀態。

RSV機器人有效載荷及主要性能

RSV機器人有效載荷的設計壽命一般為5～8年，在服務過程中使用高帶寬、低時延/低抖動通信，可以使用腳本操作、自主操作及遙操作模式。以最優化服務情況感知為目的，設計有效載荷布局（組件/工具布局、機械臂布局、近距離感知相機布局等）。RSV有效載荷布局設計有兩種方式：雙臂系統和單臂系統。都包括FREND－MK2機械臂系統、FREND機械臂、相機和各類抓捕工具等。

RSV有效載荷基于FREND機器人技術，經過在軌校驗、調試后，進入6～9個月的演示任務階段。RSV有效載荷能夠抓捕GEO客戶衛星的液體遠地點發動機（LAE）、螺栓孔以及Marman環接口。RSV有效載荷為安全執行抓捕客戶衛星等關鍵任務，使用機器視覺算法。在進行機械臂操作時，為確保安全進行慢速、高精度可控移動操作。此外，在有效載荷或平臺任務管理器檢測到異常情況時，有效載荷能夠及時自主中止抓捕任務。

（1）FREND機械臂

從21世紀初期開始，DARPA/NRL團隊就一直開發在軌自主服務，為美國空間系統提供更先進的能力。2005年，NRL提出FREND機械臂的需求，并進行競爭性采購。2008年，生產商聯盟空間系統公司[ASI，現被加拿大麥德公司（MDA）收購，成為麥德公司美國系統分公司]完成機械臂飛行樣機，并成功通過環境測試與功能測試。近期，DARPA“鳳凰”計劃的技術開發重點集中在繼續開發機械臂與軟件控制，以及航天任務準備等關鍵因素。

此次RSGS項目將采購生產商聯盟空間系統公司研發的升級版的FREND－MK2機械臂，也是機器人有效載荷的核心。FREND－MK2機械臂集成了初始FREND機械臂多年的測試經驗，這組機械臂設計長約2m，有7個自由度，能夠在GEO惡劣操作環境以及地球1gn的操作環境中運行。在地面測試階段，指令速率為500Hz，機械臂末端位置精度優于±1mm，能夠保證FREND機械臂在GEO上進行安全、靈活、可靠的操作。

有效載荷單臂布局系統的一種設計方案

RSGS任務組的FREND－MK2機械臂的特有屬性包括：剛度大，能作為對接系統抓捕客戶系統的硬點；精度高，能準確定位末端裝置，并與客戶航天器交互；能力強，能容納工具、相機和燈光等末端機械臂組件，并能通過機械臂傳遞電能和數據；可在重力環境下完成自主服務任務的地面飛行仿真測試。

（2）機器人有效載荷飛行軟件

機器人控制算法和飛行軟件是空間機器人系統的重要組成部分。NRL工程師已花費10多年時間開發在軌服務機械臂的自主控制算法。飛行軟件包括能夠執行腳本操作、遙操作、部分或全部自主操作的高效有效載荷任務管理器，能夠根據不同的在軌任務使用合適的操作模式，還能進行故障檢測、隔離及恢復等操作。飛行軟件還包括能夠進行機械臂在軌安全操作和規避在軌操作障礙的機械臂軌跡規劃等。飛行軟件能夠不斷驗證有效載荷的安全操作，并進行在軌服務操作的各項測試。此外，飛行軟件還具備能夠進行實時指揮與遙測處理、命令序列處理等的CT&DH功能。

機械臂末端系統初步設計

（3）機械臂末端系統

FREND機械臂末端有旋轉工具驅動器、力矩傳感器和電源/數據連接。為了能夠執行更多在軌服務任務，NRL開發能夠進行靈活操作的機械臂末端系統。該系統包括工具轉換裝置（tool changer）、工作燈、多臺照相機以及與連接FREND機械臂的控制電子設備。系統能夠進行力/力矩傳感器的信號調節，相機和工作燈可進行視覺伺服手臂控制和近距離檢查，也可以為遙操作地面控制提供圖像。

（4）機器人工具套件

RSGS任務的機器人工具秉承NRL的關鍵發展。在SUMO/FREND機械臂開發階段，直接將NRL內部原型工具安裝至FREND機械臂末端。在“鳳凰”計劃的技術研發階段，又采購了眾多原型工具和工具轉換裝置。新的RSGS項目需要許多新的設計工具，主要包括根據客戶航天器與運載火箭的不同連接形式，配備能夠抓捕客戶航天器的Marman環抓捕工具、螺栓孔抓捕工具或液體遠地點發動機抓捕工具，以及考慮POD補給發射的POD系統捕獲工具。除此之外，還包括德國航天局（DLR）開發的四指人形手以及能夠提供部署異常分析服務的異常分析工具。

地面部分

作為RSGS項目的一部分，其地面部分必須支持RSV系統在整個GEO軌道環上的在軌服務任務。地面部分需要支持RSV平臺及有效載荷操作，也需要規劃、訓練和執行在軌服務任務。商業合作公司主要負責地面部分的運營。

地面部分需要與客戶衛星運營商之間建立實時接口，以便協調控制與規劃執行RSV系統的所有在軌服務任務。地面部分需要利用高保真模擬器及硬件回路測試設備，進行在軌服務任務支持。地面部分對在軌服務任務的信息保障與網絡安全的作用關鍵，能夠提供安全的信息收集、分配和圖像存儲。

目前設計的地面段包括一個能夠滿足所有RSV在軌服務任務的任務運行中心（MOC），以及一個互補射頻通信方案和能夠全面覆蓋GEO區域的空間基礎設施。

4 項目啟示

在軌服務任務復雜多樣

美國此次啟動旨在服務GEO衛星的RSGS項目，預計實現在軌檢查、維修、轉移、升級等目標，使在軌服務任務內容更加多樣化，也更加復雜。該項目將為太空資產的可持續利用奠定基礎，通過該項目驗證先進機械臂、飛行控制等先進在軌技術，也會為進一步的在軌服務任務做好鋪墊。

政府與商業公司合作研發

美國政府希望通過公私合作的方式進行RSGS項目開發，并在2016年5月招標合作商業公司，旨在建立地球同步軌道（GSO）上的靈巧自主操作能力。RSV入軌并成功完成政府演示項目后，會為各商業運營商的GEO衛星提供在軌服務，也會為政府衛星提供有償服務。美國通過這一項目積極開拓長期GEO服務的商業市場，不僅會帶來經濟利益，也有利于在軌服務產業的長期轉型。

增加空間彈性

美國通過該項目成功實現GEO在軌服務，既能開啟空間基礎設施能力的革命性變化，又能提高美國現有空間基礎設施的彈性?？臻g資產通過在軌維修、軌道轉移、在軌升級等方式，能夠得以重新利用或升級利用，增強生存能力，降低脆弱性，進而增強空間彈性。這也是未來空間發展的一個重要方向。